Учені розповіли, чому найшвидша людина не обжене домашнього кота

Група вчених на чолі з біомеханіком Майклом Гюнтером зі Штутгартського університету вирішила визначити закони природи, що регулюють максимальну швидкість бігу в тваринному світі. У новому дослідженні вони представляють складну модель, що враховує розмір, довжину ніг, щільність м'язів і багато іншого, щоб з'ясувати, які елементи конструкції тіла є найбільш важливими для оптимізації швидкості, повідомляє wired.com.

Ямайський легкоатлет Усейн Болт, восьмикратний олімпійський чемпіон та 11-кратний чемпіон світу наразі найшвидший з нині живих людей. Його рекорд в бігу на 100 метрів — 9,58 с. Але його змогла б обігнати навіть домашня кішка, а в змаганні з гепардами або вилорогими антилопами в Болта не буде ніякого шансу, говорять вчені.

Нове дослідження дає уявлення про біологічну еволюцію чотириногих тварин, і воно може бути використане екологами для розуміння того, як обмеження швидкості пересування тварин впливають на популяцію і вибір місця існування у різних видів.

"Йдеться про розуміння причин еволюції, а також про те, чому і як вона формує тіло", — говорить Гюнтер про мету дослідження. "Також можна зрозуміти як конструкція тіла впливає на швидкість".

Попереднє дослідження в цій галузі, очолюване Міріам Гірт із Німецького центру інтеграційних досліджень біорізноманіття, показало, що ключ до швидкості пов'язаний з метаболізмом тварин, процесом, за допомогою якого організм перетворює поживні речовини на паливо, кінцева кількість якого зберігається в м'язових волокнах для використання під час бігу. Команда Гірт з'ясувала, що в більших тварин це паливо закінчується швидше, ніж у більш дрібних, тому що їм потрібно більше часу, щоб розігнати важче тіло. Це називається м'язовою втомою. Це пояснює, чому теоретично людина могла обігнати тиранозавра.

Але Гюнтер і його колеги були налаштовані скептично. "Я подумав, що ми могли б дати інше пояснення, — говорить він, — яке б використовувало тільки принципи класичної фізики для пояснення обмежень швидкості".

Учені створили біомеханічну модель, що складається з більш ніж 40 різних параметрів, які стосуються конструкції тіла, геометрії бігу та балансу протиборчих сил, що діють на тіло.

"Основна ідея полягає в тому, що максимальну швидкість обмежують дві речі", — каже Роберт Рокенфеллер, математик з Університету Кобленц-Ландау, співавтор дослідження. "По-перше — це опір повітря, сила, що діє на кожну ногу, коли вона намагається рухати тіло вперед. Оскільки ефект опору не збільшується зі збільшенням маси, це домінувальний фактор, що обмежує швидкість у дрібніших тварин.

По-друге — це інерція. Рокенфеллер каже, що під час бігу в тварини є обмеження в часі для прискорення власної маси: це проміжок часу між тим, коли ступня стоїть на землі, до моменту коли ступня відривається від землі. Це особливо обмежує більших тварин — із більшою масою, яку потрібно просувати вперед, важче подолати інерцію. Так, менші тіла мають перевагу.

Згідно з результатами дослідження, оптимальне значення для подолання опору повітря та інерції становить приблизно 50 кілограмів. Мабуть не випадково, що це середня вага гепардів і вилорогих антилоп.

Команда Гюнтера також змогла передбачити теоретичні максимуми швидкості для різних конструкцій тіла вагою 100 кг. Домашня кішка такого розміру могла б бігати зі швидкістю 74 кілометри на годину, гігантський павук, якби його ноги якимось чином могли витримати його вагу, розігнався б до 56 км/год. Людина вагою 100 кілограмів може розвивати швидкість тільки до 38 кілометрів на годину.

Але розмір тіла — не єдина особливість, яка відіграє важливу роль під час максимального збільшення швидкості. У моделі також має значення довжина ноги. Тварини з більш довгими ногами можуть штовхати своє тіло далі вперед, перш ніж їхня ступня повинна відірватися від землі, що подовжує час, необхідний їм для прискорення між спокійним становищем і відривом від землі.

Що стосується того, чому чотириногі тварини можуть бігати швидше людей, Гюнтер каже, що це не тому, що в нас всього дві ноги, а тому, що наше тіло розташоване вертикально і відчуває всю силу тяжіння. Двоногі істоти еволюціонували з набагато більш нерухомими структурами хребта, щоб поставити рівновагу й стійкість вище швидкості. Однак тварини, чиї тіла розміщені паралельно землі, еволюціонували з більш гнучкими хребтами, які оптимізовані для тривалого зіткнення ступні із землею.

"М'язова втома не має ніякого значення", — говорить Гюнтер. Вчені дійшли висновку, що будь-яка тварина може розігнатися як мінімум до 90% своєї максимальної швидкості до того, як закінчиться паливо.

Карл Клоєд, еколог із Морської лабораторії острова Дофін в Алабамі, який вивчає пересування тварин, вважає, що з еволюційної точки зору біомеханічне пояснення має більше сенсу, ніж теорія про м'язи, в яких закінчується паливо. Але він визнає, що для підтвердження нової моделі будуть потрібні додаткові експериментальні дослідження.

Гюнтер і Рокенфеллер погоджуються, що необхідні додаткові експерименти для перевірки їхніх висновків. За словами Гюнтера, найбільш точним способом вивчення поведінки тварин під час бігу було б імплантувати механічні датчики в їхні м'язи і відстежувати їхній рух у природному середовищі.